“생활패턴 변화·서비스 품질 높아져 ‘LTE’ 확산”

All-IP 네트워크·플랫 아키텍처 기반으로 진화

사용자의 생활패턴 변화와 서비스 품질에 대한 기대치가 높아지면서 4G LTE 사용자가 빠르게 증가하고 있다. 4G에서는 데이터를 받는 속도가 최대 75Mbps고, 앞으로는 100Mbps 이상을 지원할 예정으로, 3G보다 데이터 서비스가 월등히 빨라지고 동영상 끊김 현상도 대폭 개선될 전망이다. 이번 기고에서는 LTE에 대한 이해를 시작으로 IMS, 펨토, 스몰셀 등 차세대 모바일 기술에 대해 살펴본다.

지금 3G 폰을 사용하나요?
4G 폰을 사용하나요?
아이폰 5가 출시되는데 이건 5G 폰인가요?
스마트폰이 대세인데 핸드폰 매장을 가면 종류도 많고, 가격도 천차만별이고.
TV에 나오는 통신사 광고를 보면 재미는 있는데 무슨 내용인지 모를 때가 많아요.
무슨 기술을 재미있게 설명하는 것 같은데 이해가 잘 안가요.
단말기 보조금이나 모델을 보고 통신사를 선택하는 게 최선책 아닌가요?

누구나 한번쯤은 이러한 궁금증을 품어본 일이 있을 것이다. 4세대 이동통신 기술인 LTE(Long Term Evolution)에 대해 기초부터 심도 있는 내용을 살펴봄으로써 차세대 이동통신에 대한 이해를 돕고자 한다.

4세대 이동통신 ‘LTE’
미국에서 생산되는 아이폰을 한국이나 다른 나라에서도 사용할 수 있고, 한국에서 만든 핸드폰 역시 다른 나라에서 사용할 수 있는 이유는 무선 통신 관련 장비들에 대해 글로벌 공통 표준을 정하고, 이 표준에 맞는 장비를 생산하기 때문에 가능한 것이다. 이러한 표준을 만드는 기관들은 따로 있다. ITU, GSM 등이 대표적이다.

이러한 기관들은 삼성전자나 애플 같은 단말기 제조사는 물론 시스코, 삼성전자, 에릭슨 같은 장비생산업체, KT, SKT, LGU+ 같은 통신서비스사업자들과 유기적으로 협력해 표준을 정하고 향후 진화 방안을 연구하고 있다. 이 기관들이 표준을 정하는 과정에서 괄목할 만한 기술적인 발전을 이루는 단계마다 이를 세대(Generation)라고 정의하고 있다. 2000년에 우리나라가 세계 최초로 CDMA를 상용화할 때의 기술은 2세대(2G)고, 그 뒤를 이은 W-CDMA는 3세대(3G)라고 정의했다.

2G 기술에서는 문자를 보내려고 하다 전화가 들어오면 문자가 지워져 버렸다. 그러나 3G에서는 단말기 화면도 컬러로 바뀌고 통화중에 문자도 주고받을 수 있다. 또한 단말이 점점 발전하면서 유튜브에 접속해 동영상도 보고, 인터넷 서핑도 할 수 있게 됐다.

LTE는 4세대(4G)에 해당한다. 5G는 아직 표준이 정해지지 않았다. ‘비욘드(Beyond) 4G’라는 표준을 정하고 있는 중으로, 5G 단말이 수년 내에 나올 가능성은 희박하다. 그렇다면 3G 폰을 사용하면 되지 왜 굳이 고가의 4G 폰을 사용할까. 4G 사용이 늘고 있는 이유는 사용자의 생활패턴 변화와 서비스 품질에 대한 기대치가 높아지고 있기 때문이다.

LTE 통신 원리
2G 서비스를 하던 10년 전에는 핸드폰으로는 전화만 하는 것이고 SMS 역시 일부 세대가 즐겼다. 하지만 지금은 동영상을 핸드폰으로 보는 것이 당연한 시대가 됐고, 조만간 HD급 동영상이 보편화될 전망이다. 특히 3D 게임이나 원격진료 같은 용량이 상대적으로 큰 데이터 서비스들이 소개되고 일반화되면 3G는 데이터를 보내는 속도에 제한이 있어 서비스 품질에 문제가 발생할 수 있다.

구체적으로 보면 3G에서는 데이터를 받는 평균 최대속도가 21Mbps고, 4G에서는 데이터를 받는 속도가 최대 75Mbps다. 4G는 앞으로 약 100Mbps 이상을 지원할 예정으로, 3G보다 지연을 줄일 수 있어 데이터 서비스가 빨라지고 동영상 끊김 현상도 한층 개선될 전망이다. 따라서 4G로 가입자가 움직이는 것은 시대의 대세라고 볼 수밖에 없다.

이제 LTE의 통신 원리에 대해 살펴보자. 여러분의 단말은 본인은 모르지만 통신사들이 설치해 둔 주변의 기지국들과 수시로 서로의 상태를 확인하며 수신 신호의 세기가 가장 큰 기지국에 연결돼 있다. 참고로 단말의 안테나 바 크기는 수신신호의 세기를 알려준다.

우리가 차를 타고 움직이면 기지국들은 단말과 통신해 무선 연결이 끊어지지 않도록 가장 좋은 주파수 환경을 찾아 간다. 이를 핸드오버(hand over)라고 한다. 타잔이 정글에서 넝쿨을 타고 나무 사이를 이동하는 것과 유사한 원리다.

현재 국내 통신3사는 LTE를 전국에 서비스하고 있다. 여러분이 사용하고 있는 LTE 폰은 3G에서도 사용할 수 있다. 우리나라는 전 세계적으로 무선 전화가 전국 어디에서나 가장 잘 연결되는 나라 중 하나다. 통신 선진국이라는 미국도 전화가 안 터지는 곳이 의외로 많다.

그러나 국내에서도 LTE 전파가 닿지 않는 곳이 있을 수 있다. 그렇더라도 우리나라의 경우는 3G 주파수로 예외 없이 전국을 커버하고 있다. 따라서 LTE 음영 지역으로 들어가더라도 우리가 모르는 사이에 LTE 핸드폰이 LTE 주파수를 찾지 못한다고 판단하면 3G 주파수와 자동으로 연결된다. 이렇게 4G와 3G 사이를 서비스 중단 없이 넘나드는 것을 로밍(Roaming)이라고 한다.

해외에 나갈 때 그 나라가 3G 서비스를 하는 경우면 대부분 본인 핸드폰을 그대로 사용할 수 있다. 단말이 알아서 그 나라 주파수랑 튜닝을 하기 때문이다. 이런 경우는 글로벌 로밍이라고 한다. 미국에 도착해서 단말을 켜면 한참 후에 그 나라 통신사업자 이름이 뜨고 안테나도 같이 뜬다. 더욱 유심히 관찰하면 이동 지역에 따라 사업자 이름이 바뀌는 경우도 확인할 수 있다.

주변 건물 옥상을 유심히 보면 형광등 같이 생긴 기다란 막대 모양의 안테나가 붙어 있는 것을 쉽게 찾을 수 있다. 이것이 기지국 안테나다. 유심히 보면 명동 같이 사람들이 붐비는 지역에서는 이러한 기지국을 많이 찾을 수 있고 달려있는 안테나 숫자 역시 많은 것을 목격할 수 있다. 그러나 사람들이 적은 곳에 있는 기지국을 보면 그 숫자도 적고 안테나도 몇 개 안 붙어 있다.

멀티안테나 기술 개발
이는 안테나 한 개당 주변에 있는 가입자를 수용할 수 있는 한계가 있기 때문이다. 즉, 각 기지국마다 주변에서 통화할 수 있는 최대 가입자 수가 어느 정도 정해져있고, 데이터 서비스를 위해 제공할 수 있는 최대 용량이 있다.

이론적으로는 한 기지국에 몇몇 가입자가 대용량 데이터를 동시에 마구 사용하면 주변에 있는 사용자의 데이터 서비스 속도가 크게 저하되다 어느 시점이 되면 모든 가입자가 데이터 서비스를 못 받는 상황이 생길 수 있다. 가입자가 많이 몰릴수록, 가입자가 데이터 서비스를 많이 사용할수록 한 기지국이 수용할 수 있는 가입자의 수는 점점 줄어들게 돼 있기 때문이다.

그렇다면 기지국을 계속 증설하면 문제를 해결할 수 있지 않을까. 이론적으로는 맞지만 기지국이 고가의 통신장비일 뿐 아니라 건물에 안테나를 설치하려면 건물주의 동의를 받아야 하고 임대료도 내야하며 관련 행정 처리도 필요하다.

따라서 통신서비스사업자들이 기지국 제조사와 협의해 새로운 기술을 만들어 냈다. 멀티 안테나 기술을 개발하고 기지국간에 간섭제어 기술을 사용해 기지국 숫자는 제한이 있지만 기지국에서 수용할 수 있는 데이터 용량을 늘렸다. 가입자가 몰리는 지역에 데이터 서비스가 몰려도 데이터를 신속히 처리할 수 있게 만든 것이다. 한 통신사는 이를 재미있게 광고로 설명하기도 한다.

4G 네트워크 기술
4G LTE의 통신 원리에 이어 4G 네트워크를 구성하는 기술들에 대해 살펴보자. LTE 아키텍처가 지향하는 목표는 다음과 같다.

● All-IP 네트워크: 음성은 물론 비디오를 포함한 모든 멀티미디어를 IP 기반으로 제공한다.
● 플랫 아키텍처: 기존 3G 망에서는 기지국과 라디오 네트워크를 제어하는 장비(RNC)가 별도로 분리돼 있었지만 LTE에서는 진화된 기지국(eNodeB)이 RNC 기능을 통합해 아키텍처를 단순화했다. 이를 통해 장비간 발생하는 시간 지연 요소를 줄일 수 있다.
● 복잡성 해소: 3G 망 대비 장비들의 구성을 간소화했다.
● 끊김없는 이동성: 다른 통신 기술과도 연결할 수 있다.
● 네트워크 공유: 통신사업자간에 기지국을 공동으로 사용할 수 있다.

LTE 망 구성을 통해 각각의 장비들을 살펴보자. LTE 망은 크게 기지국(eNodeB)과 EPC(Evolved Packet Core) 망으로 구분할 수 있다. 또 EPC는 크게 MME(Mobility Management Entity), P-GW(Packet Data Network Gateway), S-GW(Serving Gateway), HSS(Home Subscriber Server)가 있다. <그림>은 3G 망과 4G 망을 통합한 구조다.

:: S-GW
S-GW는 4G 기지국과 3G 기지국에 연결돼 있고 MME, P-GW와도 연동한다. 단말이 기지국에 연결된 상태에서 데이터 서비스를 시작하면 사용자 트래픽을 기지국과 EPC간에 전달하고 라우팅하는 역할을 하며, 가입자가 핸드오버하거나 로밍을 할 때도 데이터 서비스가 끊기지 않도록 계속 관리를 한다. 3G 망에서의 SGSN(Serving GPRS Support Node) 역할과 유사하다.

:: MME
MME는 기지국과 연결되고 S-GW, P-GW, HSS 등과도 연결돼 있다. MME는 우리가 사용하는 데이터 트래픽을 관리하는 게 아니라 단말이 EPC 망에 연동하는데 필요한 시그널을 처리한다. 단말이 해당 사업자의 가입자인지 확인하고 또 어느 기지국에 연결돼 있는지를 파악하고 있다 데이터 서비스를 사용하려고 하면 단말을 깨우는(paging) 역할도 한다.

:: P-GW
P-GW는 패킷 데이터를 주고받고 처리하는 기능을 한다. 유튜브에서 비디오를 클릭하면 단말이 요청한 사이트에서 해당 비디오 데이터를 받아 단말에 뿌려주는 역할을 한다. 이때 장비간의 연동 관계를 보면 MME는 관련한 시그널을 처리하고, S-GW는 P-GW로부터 데이터를 받아 가입자가 연결돼 있는 기지국에만 데이터를 보내 주고 기지국은 가입자가 데이터를 실패 없이 잘 받도록 무선을 통해 전달한다. P-GW는 단순히 데이터를 전달하는 역할만 하는 것은 아니다.

P-GW는 주고받는 데이터를 실시간으로 분석해 필요 시 특화된 부가 서비스를 가입자에게 제공할 수도 있다. 이러한 기능을 DPI(Deep Packet Inspection)라고 한다. DPI 기능을 활용하면 다양한 서비스 모델을 만들 수 있다.

:: HSS
HSS는 가입자의 데이터베이스를 관리한다. 단말 전원을 껐다 켜면 안테나 바가 올라오는데 다소 시간이 걸린다. 그 사이에 단말과 네트워크가 시행하는 동작은 우선 단말이 자기가 깨어났다는 것을 알리기 위해 주변 기지국들과 주파수 신호 크기를 파악한 후 그중 가장 전파 상태가 좋은 기지국과 연결을 하고 자기의 위치를 MME에 알려준다.

이러는 사이 HSS는 이 가입자가 우리 가입자인지 확인하고, 요금은 이상없이 냈는지, 어떠한 서비스를 신청했는지 등을 확인한 후 MME로부터 가입자의 위치를 기록해 둔다. MME는 가입자가 기지국을 바꿔가며 이동할 때마다 그 위치를 기록해 둔다. 또한 P-GW로부터 가입자가 사용하는 패킷 데이터량을 전달받아 데이터 사용 요금을 계산한다. 가입자가 3G 망에 연결되면 3G 망으로부터 과금 정보를 받아 기록하게 된다.

이상 LTE의 통신 원리와 관련 기술 및 핵심 장비들에 대해 살펴봤다. 다음에서는 IMS(IP Multimedia Subsys tem) 서비스는 무엇이고 4G 망과 어떻게 연동해 어떤 서비스를 제공할 수 있는지, VoLTE(Voice over LTE)는 무엇인지 등에 대해 살펴본다.

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